单片机选型诀窍分享：根据数值选择低功耗MCU

2018-7-13 00:14:09 1318 单片机

根据数据手册列出的电流消耗规格来比较和选择低功耗单片机(MCU)是一项比较困难的任务。在大多数情况下，选择MCU的开发人员会先初步看看数据手册第一页，作为快速获得器件信息的参考点，其中包括外设、运行速度、封装信息、GPIO引脚数量和供电特性等。这种方法对于获得器件的整体性能很有效，但是在评估低功耗特性时却不实用。

为了对低功耗操作有全面了解，开发人员还要考虑电流消耗、状态保持、唤醒时间、唤醒源，以及低功耗模式下可运行的外设等。开发人员在相同操作模式下对比同类低功耗MCU，以获得客观的逐项比较结果。另外，易用的评估工具也非常重要，因为能评估整体系统功耗的额外功能和外设，使工程师的工作更加容易。

MCU供应商通常会在数据手册第一页列出最低功耗值。虽然器件可能实现数据手册中提到的规格，但是实际的操作模式可能在应用中不一致。某些不利的低功耗特性并未列出，包括极慢的唤醒时间、无状态保持或RAM保持功能，或者操作电压范围缩小。为了深入了解各种低功耗特性，开发人员需定义相同的操作模式，其中包括两部分：电气规格和低功耗功能。

一、电气规格比较

电气性能规格罗列在数据手册中，通过仔细研究才能判断哪种规格更加重要。通常电气规范依据供应商定义的电源模式组织分类，这将使评估更加困难，因为需要熟悉每种电源模式的功能。一般情况下，定义一系列操作条件并对应到一种电源模式更有意义。例如，开发人员可能会定义下面一组操作条件：

· 状态保持和RAM保持条件下的休眠模式电流消耗

o 所有其他外设禁用

· RTC启用且状态保持和RAM保持条件下的休眠模式电流消耗

o RTC启用，所有其他外设禁用

· 唤醒时间

· 供电电压范围

一旦操作条件有明确的定义，那么就很容易判定属于何种电源模式。

二、额外的低功耗特性

第二部分是低功耗特性，这在供应商文档中很难找到，其散布在数据手册和参考手册中。低功耗功能的示例包括：

· 可用的唤醒源。

· 如何恢复代码执行。

· 在休眠模式下可操作的外设。

一旦相同的操作模式明确定义，开发人员可以开始研究文档中的更多细节。

经过收集数据的过程之后，还可以通过MCU相关的特性针对应用进一步降低功耗。这些特性优化可以减少BOM成本、提供更长的产品生命周期或者提供更好的设计灵活性。例如，片上DC-DC转换器能够有效为系统提供电能，从而减少功耗，并且允许使用更小的电池、降低整体BOM成本，或者提高功率预算的灵活性。多种唤醒源可以提升设计灵活性，允许MCU尽量停留在最低功耗模式，进一步降低应用的平均电流消耗。

开发人员的另一种优化方式是允许固件改变片内电源电压范围。当MCU在低频率下运行时，可以减少供电电压，从而节省功耗。可选的时钟门控使硬件模块与活动电路断开连接，从而避免不工作的外设消耗电能。以上特性没有列举在衡量低功耗MCU的供电电流规格中，但其实是实现最低整体系统功耗的关键。

三、使用工具降低设计复杂度

为实现最低功耗，MCU具有越来越高的配置度，但是也导致设计越来越复杂。为了应对增加的复杂性，开发人员应当关注MCU的评估平台和易于实现的解决方案。例如，用于编程MCU的开发板和软件工具应当是直观和方便使用的。使用不便的硬件将增加固件开发难度。而从固件的角度来看，MCU供应商应该提供可以实现数据手册上规格的固件示例。如果列举的电流消耗规格无法在评估板上实现，那在定制的硬件上配置MCU来获得这些数据更加困难。为客户提供可用于代码开发起点的各种代码示例能够帮助工程师更好的学习如何使用器件，并加快产品上市时间。

图形化配置工具能够辅助开发，帮助开发人员更深入的理解MCU。在开发低功耗应用时，需要了解整体功耗的分布。只有熟悉这些信息，才能明确哪些设计可以进一步优化，也能更好理解整体架构。理想情况下，低功耗配置工具能够给出进一步降低功耗的提示，也包括配置过程中检测到的任何配置错误。例如，Silicon Labs AppBuilder图形配置工具中的功耗评估器能够显示提供配置指导的功耗提示，并且也提供功耗预算的饼图，显示有多少电能消耗，以及哪些外设正消耗电能;当配置更改时，饼图将自动更新。

为了简化MCU的比较过程，下表中列出几种常见操作模式，以及Silicon Labs基于ARM Cortex-M3内核的SiM3L1xx MCU系列产品可提供的系统级优化功能和开发工具。

小结

为低功耗应用评估和选择MCU，仅了解数据手册第一页是远远不够的。开发人员深入分析器件的供电电流规格，由此决定哪个MCU可提供最低整体系统功耗，以及减少整体电源电流的系统级优化功能。

通常各个MCU供应商指定的操作条件不同，在一些情况下，列出的低功耗数据仅出现在不实用的模式中。在相同操作模式下对比MCU将避免开发人员被供应商宣称的超低功耗数据所误解。

一旦理解和确定器件的电气特性，开发人员还应关注合适的评估平台和软件工具。MCU的选择过程中需要考虑以上因素，因为这对于工程团队的快速运作非常重要。